CC BY
65
МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. МАШИНОСТРОЕНИЕ
ши оо оо ©
|
Суржик В.В. УДК 62-501.12; 533.6.013; 629.7.022
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ЭКРАНОПЛАНОВ
Идею модернизации водного транспорта и повышения скорости судов при минимальной энерговооруженности пропагандировал великий русский ученый и инженер Ростислав Евгеньевич Алексеев. Под его руководством в 60-е годы прошлого столетия были созданы первые в мире суда на подводных крыльях. Водоизмещающий корпус у этих судов поднимался над водной поверхностью и сопротивление движению в воде создавали только подводные крылья, площадь которых была значительно меньше омывающей поверхности водоизмещающего корпуса. Таким образом, сопротивление судна уменьшалось в несколько раз. Но главной особенностью судов на подводных крыльях было то, что они создавали систему, обладающую свойством самостабилизации. То есть, управлять крыльями при изменении скорости движения судна не было необходимости, так как крылья находились на небольшой глубине от поверхности воды, и за счет изменения этой глубины погружения создавали переменные демпфирующие силы и моменты, балансирующие всю систему вместе с судном.
Однако суда с малопогруженными подводными крыльями имели ограничение по максимальной скорости движения из-за возникающего кавитационного режима на крыльях при определенной скорости и, как следствие этого, резкое падение подъемной силы и торможение судна.
Следовательно, для увеличения скорости необходимо было исключить любой контакт с водой. Так появился новый класс судов — эк-ранопланы, которые не имеют контакта с водой, не имеют ограничений по скорости и обладают рядом замечательных преимуществ по сравнению с существующими видами транспорта. Идея поднятия корпуса судна над водой нашла свою реализацию также в скеговых судах и судах на воздушной подушке, которые, как и СПК (суда на подводных крыльях), имеют ограничения по максимальной скорости.
Первыми экранопланами промышленного производства были экранопланы Ростисла-
ва Алексеева. Это экранопланы «Орленок» — 140 т. а затем экраноплан «Лунь» — 450 т. взлетного веса. В дальнейшем в России были построены и испытаны экранопланы «Акваглайд», «Иволга», «Волга — 2» и другие. В мировой практике известны экранопланы А. Липпиша Х—112, Х-113, Х-114. Все экранопланы были выполнены по «самолетной» схеме. Известный двухместный экраноплан Г. Йорга был выполнен по схеме «тандем», но он летал на сверхмалых расстояниях над водой (меньше одной десятой хорды крыла).
В 1990-е годы специалисты фирмы «Боинг», проанализировав перспективность использования экранопланов, пришли к выводу о значительном отставании США от России в области экранопланостроения, и конгресс США создал специальную комиссию, призванную разработать план действий по ликвидации «русского прорыва». Компания «Боинг» начала работы над гигантским экраноле-том «Ультра» 152 м. в длину и 106 м. в ширину.
В 1964 г. швейцарский инженер Х.Вей-ланд построил самоходную пилотируемую модель экраноплана «Малый Вейланд» по схеме «тандем». В первом же полете на озере Сол-тон в Калифорнии модель довольно долго летела на высоте одного метра, затем неожиданно взмыла вверх и упала на воду. Причина аварии в то время окончательно не была установлена. Такая же участь постигла и первый экра-ноплан Р.Алексеева СМ-1 выполненный по «тандемной» схеме в 1962 году. Аппарат самопроизвольно взмыл вверх и упал на лед. Это явление «уход на кабрирование» объясняется потерей экранопланом схемы «тандем» статической устойчивости.
Поэтому в общем случае, в задачах изучения свободной динамики экранопланов речь может идти о создании такой компоновочной схемы и выборе таких параметров, которые обеспечили бы экраноплану заданные динамические характеристики. Основное отличие такой задачи от обычной задачи оптимального управления состоит в том, что в этом случае в
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
качестве управляющего вектора и выступает вектор геометрических размеров той или иной компоновочной схемы — величина, явно не зависящая от времени 1 и вектора состояния х. Решение подобных задач возможно или стохастическими методами [3] (то есть искать оптимальное решение на ансамбле реализаций случайного векторах с X), или, в случае линейного векторного дифференциального уравнения, эту задачу можно интерпретировать как задачу максимизации по модулю действительной части корня характеристического полинома.
По мнению зарубежных исследователей проблема обеспечения необходимой эксплуатационной устойчивости полета экраноплана посредством подбора геометрических разме-рений компоновочной схемы является почти неразрешимой. Это мнение, по-видимому, объясняется, с одной стороны, необычайной сложностью проблемы, а с другой - теми неудачами, с которыми встречались зарубежные экранопланостроители, например, Д.Уорнер, И. Троенг, Ч. Вейланд, Ш. Эндо, Г. Йорг и другие.
Существующие экранопланы и экраноле-ты, например, экранолеты А. Липпиша, экранопланы и экранолеты ЦКБ по СПК Нижнего Новгорода и экранолеты В. Колганова, все выполнены по «самолетной» схеме и не обладают свойством самостабилизации. Эти экра-нопланы необходимо постоянно балансировать, а ручное управление на малых высотах обладает определенными трудностями, так как требует большой концентрации внимания при пилотировании. Проблема частично решается установкой на них систем автоматического управления.
На ранней стадии проектирования экранопланов разработчик должен иметь математические модели, позволяющие определять его динамические характеристики. Несомненно, окончательные характеристики эк-раноплана можно будет определить только в процессе испытаний, но в предэскизном проектировании знание общих динамических параметров проектируемого экраноплана крайне необходимо.
В работе [1] А.Н.Панченков исследовал задачу оптимального проектирования путем набора параметров компоновочной схемы ЛА, обеспечивающих ему устойчивый полет на заданной высоте от поверхности земли. Эта задача решалась введением в рассмотрение ло-
кальных функционалов, из условия минимума которых определялся оптимальный вектор проектных параметров. Но при этом невозможно было определить границу зоны устойчивости конкретной компоновочной схемы экраноплана.
Другой метод исследования продольной устойчивости основан на традиционном в динамике самолета методе изучения устойчивости стационарного движения ЛА на базе характеристического уравнения однородной линеаризованной системы дифференциальных уравнений продольного движения с постоянными коэффициентами.
Для экранопланов аэродинамические силы и моменты, возникающие на крыльях, зависят не только от угла атаки а, относительно вектора набегающего потока, но и от параметра отстояния задней кромки крыла от экранирующей поверхности . В общем случае
кинематические параметры крыла и а { могут меняться во времени по любым законам. При изменении этих параметров центр тяжести (ЦТ) экраноплана совершает поступательное движение V - V(1) и Н - Н(1). Все остальные агрегаты экраноплана, находясь в таком же, как и ЦТ поступательном движении, кроме того, совершают вращение вокруг ЦТ с
угловой скоростью ю2 - —. Вертикальная
скорость, с которой движется крыло, изменит угол атаки этого крыла на величину
_ _ 1 _ —0 _
Да =±( Хп ± ХРа )—Ъм —0 , где Хп - относитель-' ц —1
ная координата носика средней аэродина-миеской хорды крыла от ЦТ, ХР — относительная координата фокуса крыла для средней
2т
эародинамической хорды, ц-- — отно-
Р51ЬЛ,
сительная плотность экраноплана, Ъм — средняя аэродинамическая хорда какого-либо крыла отнесенная к хорде основного. Вертикальное перемещение ЦТ экраноплана со ско-—Н
ростью —также вызовет изменение угла атаки крыла. Это изменение угла атаки для всех крыльев будет одно и то же, и равно
. 1 — ДН „ й
Да ---—. В общем случае нестационарное
ц —1
изменение угла атаки для крыла запишется в виде
МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. МАШИНОСТРОЕНИЕ
©
Л <7\ Л \ЬМ тДО 1 ёАИ Да^) = Да±(Х„ ±Х№(---
ц т ц а(
а нестационарное возмущение отстояния крыла ДЛи ) = ДНЬА! (Хп ±1)ДО1. Введение этих нестационарных значений для Да(^) и ДЛ(I)в исходную систему уравнений продольного движения не меняет размерности исходной системы (изменяются только коэффициенты матрицы), что является положительным фактором и позволяет исследовать новую систему уравнений на устойчивость по критериям Рауса-Гурвица. Кроме того, в уравнениях появляются демпфирующие моменты, обусловленные вращением экраноплана относительно поперечной оси OZ с, и отпадает необходимость искусственного введения его, как это делается в динамике ЛА.
Для экранопланаов характерным режимом движения является полет на заданной высоте с жесткими ограничениями на заброс параметров движения 5(ДО) и 5(ДН). Реализация такого режима возможна или путем оснащения экранопланов системами автоматической стабилизации или путем создания экранопланов самостабилизирующихся схем.
Под самостабилизацией подразумевается способность экраноплана сохранять балансировочные режимы и устойчивость движения без вмешательства органов управления во всем диапазоне полетных скоростей при действии широкого спектра эксплуатационных возмущений.
Задача определения геометрических размерений самостабилизирующегося экраноплана компоновочной схемы «утка», обладающего устойчивыми режимами на всех высотах полета над экраном, приведена в патенте на изобретение [4]. Приведенный в патенте полином
Б2 = (0,598417 + 0,59237 х Ь2 + 0,138457 х Ц )-1
связывает соотношение площадей крыльев - Б
Б2 =—— с плечами центров давления крыльев Б1
до ЦТ L2 - — и делит область S 2
L-,
L2 на две
части: область устойчивых значений S2 и L2
для экраноплана — слева от кривой и область неустойчивых значений — справа.
В заключение можно сделать следующие выводы:
— предложенная методика учета нестационарности изменения кинематических параметров Aa(i ) и Ah(t )не усложняет, а уточняет исходную систему уравнений движения;
— результаты исследований патента [4] дают разработчикам экранопланов схемы «утка» механизм, позволяющий выбрать раз-мерения устойчивого экраноплана на ранней стадии проектирования.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Панченков А.Н. Некоторые вопросы оптимального проектирования гидро-ди-намических несущих комплексов. // Н.: Наука. 1982. - C.3-29.
2. Суржик В.В. Некоторые подходы к решению задач оптимальной стабилизации летательных аппаратов, использующих влияние близости экрана. // Труды ИПИ № 2. - Иркутск 1974. - С.173- 144.
3. Суржик В.В. Ружников Г.М. Стохастическая устойчивость быстроходных транспортных аппаратов, движущихся вблизи опорной поверхности. // Тезисы докладов 24-ой Всесоюзной научно-технической конференции по теории корабля. — Л. 1975. С. 32-33.
4. Патент на изобретение №2224671 (РФ). Самостабилизирующийся экраноплан. / Закрытое акционерное общество «Технологии СДП»; авторы изобретения Суржик В.В и др. - Приоритет от 09.01.2003, № 2003100793.
